CN103344196A - 单镜头结构光立体成像的装置及对管道内场景立体成像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单镜头结构光立体成像的装置，由照相机、半透镜和光栅投影仪构成，照相机透过半透镜对管道内壁进行图像采集，半透镜将光栅投影仪投影出来的结构光栅通过反射发射到管道内壁上，对照相机和光栅投影仪进行分别控制，使结构光栅在管道内壁上间断交替出现，进而使照相机交替获得无结构光栅的图像和叠加结构光栅的图像。本发明还公开了一种对管道内场景立体成像的方法，在整个拍摄过程中，采用单镜头摄像和结构光栅对图像网格化相结合，调整照相机位置坐标，进行一系列的图像。本发明采取了单镜头照相机和结构光栅相结合的成像方法对管道内壁成像，根据光模式的变化情况来反映管道内壁表面的形状变化，简化了对管道内场景的图像采集。

Description

单镜头结构光立体成像的装置及对管道内场景立体成像的方法
技术领域
本发明涉及一种图像采集系统及成像方法，特别是涉及一种针对管道内部场景的成像的装置及成像方法，应用于工业检测、生物医学工程，医疗诊断和和三维形貌测量技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，智能化、非接触式三维测量立体成像方法的研究得到了人们广泛地重视。结构光三维测量技术日趋成熟，但由于其具有高精度的机械驱动装置，使成本大为提高，对于普及和应用带来了一定的困难。而在现有的三维测量立体成像方法在实际拍摄过程中，需要两架摄像机在变焦、变光圈、变位置时做到同步一致，在技术实现上也比较困难的问题。现有的三维测量立体成像装置及成像方法还不够理想，不能广泛适应于工业和医学等领域对管道内壁测量过程，无法更有效地适应社会需求。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种单镜头结构光立体成像的装置和对管道内场景立体成像的方法，采取了单镜头照相机和结构光栅相结合的立体成像方法实现对管道内壁成像中的应用，为三维图像的构建提供了便利，根据光模式的变化情况来反映管道内壁表面的形状变化，简化了对管道内场景的图像采集，尤其是对管道内壁上的物体的检测问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种单镜头结构光立体成像的装置，主要由一台照相机、一个半透镜和一台光栅投影仪构成，照相机透过半透镜对管道内壁进行图像采集，半透镜将光栅投影仪投影出来的结构光栅通过反射发射到管道内壁上，对照相机的拍摄和光栅投影仪的投影进行分别控制，使光栅投影仪投影出来的结构光栅在管道内壁上间断交替出现，进而使照相机的透过半透镜对管道内壁场景进行图像采集，交替获得无结构光栅的图像和叠加结构光栅的图像。
作为本发明的改进，照相机与光栅投影仪由控制器进行脉冲控制，使照相机每个拍摄周期内皆获得由一幅场景原图像和一幅用光栅投影仪在管道内壁投上结构光栅后所拍摄的网格化图像。
本发明还提供了一种利用本发明单镜头结构光立体成像的装置对管道内场景立体成像的方法，在整个拍摄过程中，采用单镜头摄像和结构光栅对图像网格化相结合，调整照相机不同位置坐标，进行一系列的图像采集，具体为：
第一组拍摄：利用手动或机械控制在三维坐标为（                                                
Figure 141785DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 500086DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 972655DEST_PATH_IMAGE006
）处，用照相机对管道内壁场景拍摄2次，其中前一次拍摄为管道内壁的第一幅场景原图像P11，其中后一次拍摄为用光栅投影仪在管道内壁投上结构光栅后所拍摄的第一幅网格化图像P12，在管道内壁上的结构光栅上各点坐标（,
Figure 11335DEST_PATH_IMAGE010
）,(
Figure 173326DEST_PATH_IMAGE012
,
Figure 234823DEST_PATH_IMAGE014
),(
Figure 519174DEST_PATH_IMAGE016
,)……(
Figure 897383DEST_PATH_IMAGE020
,)……（
Figure 268638DEST_PATH_IMAGE024
,
Figure 106144DEST_PATH_IMAGE026
）；
第二组拍摄：利用手动或机械控制在三维坐标为（
Figure 672255DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 973923DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 286829DEST_PATH_IMAGE032
）处，仍然用照相机对管道内壁场景拍摄2次，其中前一次拍摄为管道内壁的第二幅场景原图像P21，其中后一次拍摄为用光栅投影仪在管道内壁投上结构光栅后所拍摄的第二幅网格化图像P22，在管道内壁上的结构光栅上各点坐标（
Figure 673948DEST_PATH_IMAGE034
,）,(
Figure 934345DEST_PATH_IMAGE038
,
Figure 669083DEST_PATH_IMAGE040
),(,)……(
Figure 399776DEST_PATH_IMAGE046
,
Figure 367732DEST_PATH_IMAGE048
)……（
Figure 401547DEST_PATH_IMAGE050
,
Figure 113151DEST_PATH_IMAGE052
）；
第三组拍摄直到第n组拍摄：如第二组拍摄方法以此类推；
根据前述n组拍摄所得到的n幅场景原图像Pn1和n幅网格化图像Pn2，通过所得到的光栅中各点在投影到管道内壁时之间距离的变化，来确定管道内壁场景在空间上的深度信息，依据同一个点在其中两幅网格化图像中的相对位置关系，对从其中所对应的两幅场景原图像照片里得到的管道内壁场景各点的空间点云进行拼接，通过结构光三维测量方法，进而得到管道内壁上物体的空间形状，最终完成对管道内壁场景的立体成像。
作为本发明对管道内场景立体成像的方法的改进，在整个拍摄过程中，照相机与光栅投影仪由控制器进行脉冲控制，其中照相机控制脉冲的周期是光栅投影仪控制脉冲周期的一半，使光栅投影仪投影出来的结构光栅在管道内壁上间断交替出现，进而使照相机对管道内壁场景进行图像采集，使每组拍摄皆获得由一幅场景原图像和一幅网格化图像组成一组对照图像。
在上述本发明对管道内场景立体成像的方法的技术方案中，在整个拍摄过程中，在每组拍摄之前，皆对照相机和光栅投影仪组成的成像系统进行标定，确定结构光栅与管道内壁的相对位置、照相机拍时的位置和拍摄角度，通过照相机所拍照片中光栅各点的相对坐标，进而得到光栅各点间的距离数据。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1．在本发明对管道内场景立体成像的方法中，光模式的变化情况反映了管道内壁表面的形状和管道内壁场景中物体表面的形状变化，简化了对物体的检测问题，并具有低成本、非接触、高精度、易实现的特点；
2. 本发明单镜头结构光立体成像的装置无机械传动装置，采用照相机测量物体管道内壁表面轮廓的测量原理及系统，该系统基于线结构光测量原理，采用视频采集和一次扫描即可完成被测物体表面轮廓数据的测量方法，有效地减小了结构光测量方法固有的光条遮挡问题；
3. 本发明对管道内场景立体成像的方法实现了移动照相机对物体表面轮廓的三维测量过程，并实现了对三维物体表面轮廓数据的拼接，减少计算的复杂性、改善三维测距精度；
4. 本发明采取单镜头成像，系统结构简单，标定变得更加简便，减少数据处理量，同时标定结构也更为准确，为三维图像的构建提供了便利；
5. 由于管道其作用的特殊性，有些管道在工作的过程中需要定期检测, 以便尽早发现异常, 减少事故发生和经济损失，有些更重要的管道除了需要做缺陷检测外，还要进行内壁的三维测量或者三维重建，以确定是否能够达到功能要求，本发明可以切实解决这一实际问题。
附图说明
图1为本发明实施例一单镜头结构光立体成像的装置的结构示意图。
图2为本发明实施例一的光栅投影仪向管道内壁投射结构光栅后照相机拍摄到的管道内壁场景图像照片。
图3为本发明实施例一采用的结构光栅形式。
图4为采用本发明实施例二对管道内场景立体成像的方法的拍摄流程示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1～3，一种单镜头结构光立体成像的装置，主要由一台照相机1、一个半透镜2和一台光栅投影仪3构成，照相机1透过半透镜2对管道4内壁进行图像采集，半透镜2将光栅投影仪3投影出来的结构光栅6通过反射发射到管道内壁4上，照相机1与光栅投影仪3由控制器进行脉冲控制，使光栅投影仪3投影出来的结构光栅6在管道内壁4上间断交替出现，进而使照相机1的透过半透镜2对管道内壁4场景进行图像采集，交替获得无结构光栅6的图像和叠加结构光栅6的图像。本实施例单镜头结构光立体成像的装置采取单镜头成像，系统结构简单，标定变得更加简便，减少数据处理量，同时标定结构也更为准确，为三维图像的构建提供了便利。
在本实施例中，参见图4，照相机1与光栅投影仪3由控制器进行脉冲控制，使照相机1每个拍摄周期内皆获得由一幅场景原图像和一幅用光栅投影仪在管道内壁投上结构光栅后所拍摄的网格化图像。
在本实施例中，参见图4，一种利用本实施例单镜头结构光立体成像的装置对管道内场景立体成像的方法，在整个拍摄过程中，采用单镜头摄像和结构光栅6对图像网格化相结合，调整照相机1不同位置坐标，进行一系列的图像采集，在照相机1拍摄的周期10是光栅投影仪3投影周期20的一半，具体为：
第一组拍摄：利用手动或机械控制在三维坐标为（
Figure 978339DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
）处，用照相机1对管道内壁4场景拍摄2次，其中前一次拍摄为管道内壁4的第一幅场景原图像P11，其中后一次拍摄为用光栅投影仪3在管道内壁4投上结构光栅6后所拍摄的第一幅网格化图像P12，在管道内壁4上的结构光栅6上各点坐标（
Figure 54879DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 638307DEST_PATH_IMAGE010
）,(
Figure 825706DEST_PATH_IMAGE012
,
Figure 810980DEST_PATH_IMAGE014
),(,
Figure 191462DEST_PATH_IMAGE018
)……(,
Figure DEST_PATH_IMAGE056
)……（
Figure 182552DEST_PATH_IMAGE024
,
Figure 960015DEST_PATH_IMAGE026
）；
第二组拍摄：利用手动或机械控制在三维坐标为（
Figure DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
）处，仍然用照相机1对管道内壁4场景拍摄2次，其中前一次拍摄为管道内壁4的第二幅场景原图像P21，其中后一次拍摄为用光栅投影仪3在管道内壁4投上结构光栅6后所拍摄的第二幅网格化图像P22，在管道内壁4上的结构光栅6上各点坐标（
Figure 375429DEST_PATH_IMAGE034
,
Figure 667870DEST_PATH_IMAGE036
）,(
Figure 524967DEST_PATH_IMAGE038
,
Figure 219254DEST_PATH_IMAGE040
),(
Figure 808498DEST_PATH_IMAGE042
,
Figure 853814DEST_PATH_IMAGE044
)……(
Figure 249024DEST_PATH_IMAGE046
,
Figure 735500DEST_PATH_IMAGE048
)……（
Figure 823542DEST_PATH_IMAGE050
,
Figure 90575DEST_PATH_IMAGE052
）；
第三组拍摄直到第n组拍摄：如第二组拍摄方法以此类推；
根据前述n组拍摄所得到的n幅场景原图像Pn1和n幅网格化图像Pn2，通过所得到的光栅中各点在投影到管道内壁4时之间距离的变化，来确定管道内壁4场景在空间上的深度信息，依据同一个点在其中两幅网格化图像中的相对位置关系，对从其中所对应的两幅场景原图像照片里得到的管道内壁4场景各点的空间点云进行拼接，通过结构光三维测量方法，进而得到管道内壁4上物体5的空间形状，最终完成对管道内壁4场景的立体成像。本实施例根据光模式的变化情况来反映管道内壁表面的形状变化，简化了对管道内壁4场景的数据采集，尤其是对管道内壁4上的物体的检测领域。
在本实施例中，在整个拍摄过程中，在每组拍摄之前，皆对照相机1和光栅投影仪3组成的成像系统进行标定，确定结构光栅6与管道内壁4的相对位置、照相机1拍时的位置和拍摄角度，通过照相机1所拍照片中光栅各点的相对坐标，进而得到光栅各点间的距离数据。本实施例图像系统必须经过标定才能够准确使用，标定的目的是确定系统的测量模型。本实施例图像系统内外部参数标定采用基于平面靶标的张氏摄像机标定法，照相机1标定法的具体过程为：在照相机1拍摄范围内，拍摄若干幅平面靶标图像，把标定平面与照相机平面之间的单应矩阵分解为内外参数矩阵，利用旋转矩阵的单位正交性，求出照相机内外参数的初值，再通过非线性优化算法，就可获取照相机内部参数与外部参数的最佳解通过上述过程，求出照相机内部参数，包括照相机在像平面（x,y）方向的有效焦距、理论原点及外部参数旋转矩阵与平移矩阵。在本实施例中，由于整个拍摄过程中光栅与管道内壁4的相对位置以及不同组拍摄时照相机1的位置及拍摄角度已知，通过所得到的结构光栅6中各点在投影到管道内壁4时之间距离的变化，可以确定管道内壁4的物体5在空间上的深度信息。而依据同一个点在两张照片中的相对位置关系，对从两张照片里得到的物体5表面各点的空间点云进行拼接，进而得到内壁上物体5的空间形状，从而实现三维管道内壁4图形的构建。利用本实施例对管道内场景立体成像的方法获得的图像数据和图像系统参数，通过结构光三维测量的原理，对采集到的数据进行处理，将所得的每两幅图像的点云数据进行整理拼接，最终完成对管底场景的立体成像。
本实施例单镜头结构光立体成像的装置和对管道内场景立体成像的方法可应用于工业，医学等领域的管道内壁测量，应用广泛，满足社会需求：
1. 工业检测：包括给排水，输油，燃气等管道实时准确检测，油气仓罐等的内壁检测与三维测量重构，以便提早发现异常，减少事故与经济损失，还可用于自动加工过程中高速检测进行质量控制。
2. 生物医学工程，医疗诊断领域：可以用来观察人体体腔，管道内壁的情况，对病变的诊断提供详细可靠的立体图像数据，对医学图像进行三维重构，使诊断更加直观科学。
3. 三维形貌测量：模具尺寸测量，服装加工，鞋模，车外壳等形状测量等领域。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，在整个拍摄过程中，照相机1与光栅投影仪3由控制器进行脉冲控制，其中照相机1控制脉冲的周期是光栅投影仪3控制脉冲周期的一半，使光栅投影仪3投影出来的结构光栅6在管道内壁4上间断交替出现，进而使照相机1对管道内壁4场景进行图像采集，使每组拍摄皆获得由一幅场景原图像和一幅网格化图像组成一组对照图像。在本实施例中，采用控制器进行脉冲控制同步协调对照相机1与光栅投影仪3进行控制，使投影和拍摄按照设定步调依次进行，进一步简化了对管道内壁4上物体的检测方法，使成像系统的自动化和智能化程度显著提高，使本实施例对管道内场景立体成像的方法更加灵活，使本实施例单镜头结构光立体成像的装置使用更加方便。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明单镜头结构光立体成像的装置和对管道内场景立体成像的方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种单镜头结构光立体成像的装置，其特征在于：主要由一台照相机（1）、一个半透镜（2）和一台光栅投影仪（3）构成，所述照相机（1）透过所述半透镜（2）对管道（4）内壁进行图像采集，所述半透镜（2）将所述光栅投影仪（3）投影出来的结构光栅（6）通过反射发射到管道内壁（4）上，对所述照相机（1）的拍摄和所述光栅投影仪（3）的投影进行分别控制，使所述光栅投影仪（3）投影出来的结构光栅（6）在管道内壁（4）上间断交替出现，进而使所述照相机（1）的透过所述半透镜（2）对管道内壁（4）场景进行图像采集，交替获得无结构光栅（6）的图像和叠加结构光栅（6）的图像。
2.根据权利要求1所述的单镜头结构光立体成像的装置，其特征在于：所述照相机（1）与所述光栅投影仪（3）由控制器进行脉冲控制，使所述照相机（1）每个拍摄周期内皆获得由一幅场景原图像和一幅用光栅投影仪在管道内壁投上结构光栅后所拍摄的网格化图像。
3.一种利用权利要求1或2所述的单镜头结构光立体成像的装置对管道内场景立体成像的方法，其特征在于，在整个拍摄过程中，采用单镜头摄像和结构光栅对图像网格化相结合，调整照相机不同位置坐标，进行一系列的图像采集，具体为：
第一组拍摄：利用手动或机械控制在三维坐标为（                                                ，，
Figure 2013102907926100001DEST_PATH_IMAGE003
）处，用照相机对管道内壁场景拍摄2次，其中前一次拍摄为管道内壁的第一幅场景原图像P11，其中后一次拍摄为用光栅投影仪在管道内壁投上结构光栅后所拍摄的第一幅网格化图像P12，在管道内壁上的结构光栅上各点坐标（
Figure 302699DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 2013102907926100001DEST_PATH_IMAGE005
）,(
Figure 561642DEST_PATH_IMAGE006
,
Figure 2013102907926100001DEST_PATH_IMAGE007
),(
Figure 253654DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 2013102907926100001DEST_PATH_IMAGE009
)……(
Figure 990666DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 2013102907926100001DEST_PATH_IMAGE011
)……（
Figure 451734DEST_PATH_IMAGE012
,
Figure 2013102907926100001DEST_PATH_IMAGE013
）；
第二组拍摄：利用手动或机械控制在三维坐标为（
Figure 822192DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 2013102907926100001DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 798238DEST_PATH_IMAGE016
）处，仍然用照相机对管道内壁场景拍摄2次，其中前一次拍摄为管道内壁的第二幅场景原图像P21，其中后一次拍摄为用光栅投影仪在管道内壁投上结构光栅后所拍摄的第二幅网格化图像P22，在管道内壁上的结构光栅上各点坐标（
Figure 2013102907926100001DEST_PATH_IMAGE017
,）,(
Figure 2013102907926100001DEST_PATH_IMAGE019
,
Figure 920095DEST_PATH_IMAGE020
),(
Figure 2013102907926100001DEST_PATH_IMAGE021
,
Figure 192944DEST_PATH_IMAGE022
)……(
Figure DEST_PATH_IMAGE023
,
Figure 921866DEST_PATH_IMAGE024
)……（
Figure DEST_PATH_IMAGE025
,
Figure 938363DEST_PATH_IMAGE026
）；
第三组拍摄直到第n组拍摄：如第二组拍摄方法以此类推；
根据前述n组拍摄所得到的n幅场景原图像Pn1和n幅网格化图像Pn2，通过所得到的光栅中各点在投影到管道内壁时之间距离的变化，来确定管道内壁场景在空间上的深度信息，依据同一个点在其中两幅网格化图像中的相对位置关系，对从其中所对应的两幅场景原图像照片里得到的管道内壁场景各点的空间点云进行拼接，通过结构光三维测量方法，进而得到管道内壁上物体的空间形状，最终完成对管道内壁场景的立体成像。
4.根据权利要求3所述的对管道内场景立体成像的方法，其特征在于：在整个拍摄过程中，照相机与光栅投影仪由控制器进行脉冲控制，其中照相机控制脉冲的周期是光栅投影仪控制脉冲周期的一半，使光栅投影仪投影出来的结构光栅在管道内壁上间断交替出现，进而使照相机对管道内壁场景进行图像采集，使每组拍摄皆获得由一幅场景原图像和一幅网格化图像组成一组对照图像。
5.根据权利要求3所述的对管道内场景立体成像的方法，其特征在于：在整个拍摄过程中，在每组拍摄之前，皆对照相机和光栅投影仪组成的成像系统进行标定，确定结构光栅与管道内壁的相对位置、照相机拍时的位置和拍摄角度，通过照相机所拍照片中光栅各点的相对坐标，进而得到光栅各点间的距离数据。
6.根据权利要求4所述的对管道内场景立体成像的方法，其特征在于：在整个拍摄过程中，在每组拍摄之前，皆对照相机和光栅投影仪组成的成像系统进行标定，确定结构光栅与管道内壁的相对位置、照相机拍时的位置和拍摄角度，通过照相机所拍照片中光栅各点的相对坐标，进而得到光栅各点间的距离数据。
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